32
правки
Изменения
Новая страница: «'''Оценка положения''' - представляет собой сочетание аппаратных средств и программного о…»
'''Оценка положения''' - представляет собой сочетание аппаратных средств и программного обеспечения, которое позволяет определить абсолютное положение объекта в пространстве.
== Области применения ==
Задача оценки положения движущихся и статичных объектов возникает во множестве прикладных областей. Сейчас происходит подъем популярности разработки устройств и систем, отслеживающих положения объектов окружающего мира и использующих эту информацию для различных целей, рассмотрим несколько областей:
# Автомобили и другие транспортные средства, с встроенными системами помощи водителю (автопилот, круиз контроль и др.). Которые помогают водителю с парковкой, контролируют скорость и направление движения, а также предупреждают об объектах, находящихся на дороге, о типе дорожного покрытия и возможных авариях.
#Дополненная реальность, "очки" в которых в реальное изображение, получаемое с помощью видеокамер, встраивается некоторая информация полезная человеку.
#Виртуальная реальность, оценка положения технология является критически важной для достижения эффекта погружения в виртуальную реальность. В сочетании с отслеживанием ориентации становится возможным измерять и передавать в ВР все 6 степеней свободы (6-DoF) реального мира
#Робототехника.Роботы (Медицинские, научные, промышленные и др.) которые основывают свое движение на построении карты окружения и препятствий.
Совокупность методов и подходов к решению задачи оценки положения можно поделить на несколько групп:
*Акустические
*Радиочастотные
*Магнитные
*Оптические
*Инерциальные
*Гибридные
=== Акустические методы===
Акустические приборы слежения используют ультразвуковые (высокочастотные) звуковые волны для измерения положения и ориентации целевого объекта. Для определения положения объекта измеряется время пролёта ([https://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_arrival time-of-arrival]) звуковой волны от передатчика к приёмникам, либо разность фаз синусоидальной звуковой волны при приёмо-передаче. Алгоритмы трекинга положения при использовании акустических приборов основаны на [https://en.wikipedia.org/wiki/True_range_multilateration Трилатерации] и расчете [https://en.wikipedia.org/wiki/Angle_of_arrival Угла Прибытия].При использовании данных методов, разработчики сталкиваются с некоторыми проблемами: акустические трекеры, как правило имею низкую скорость обновления связанную с низкой скорости звука в воздухе, скорость звука в воздухе зависит от внешних факторов среды, таких как температура, давление и влажность
=== Радиочастотные методы ===
Методов, основанных на радиочастотах достаточно много.
#Позиционирования с использованием пассивных радиочастотных идентификаторов [https://ru.wikipedia.org/wiki/RFID#Антиколлизионный_механизм_(меток) RFID] <br /> Основное назначение систем с пассивными RFID метками – идентификация. Они применяются в системах, традиционно использовавших штрих-коды или магнитные карточки – в системах распознавания товаров и грузов, опознания людей, в системах контроля и управления доступом (СКУД) и т.п.Система включает RFID метки с уникальными кодами и считыватели и работает следующим образом. Считыватель непрерывно генерирует радиоизлучение заданной частоты. ЧИП метки, попадая в зону действия считывателя, использует это излучение в качестве источника электропитания и передает на считыватель идентификационный код. Радиус действия считывателя составляет около метра.
#Позиционирование с использованием активных [https://ru.wikipedia.org/wiki/RFID#Антиколлизионный_механизм_(меток) RFID] <br/>Активные радиочастотные метки используются при необходимости отслеживания предметов на относительно больших расстояниях (например, на территории сортировочной площадки). Рабочие частоты активных RFID – 455МГц, 2,4ГГц или 5,8ГГц, а радиус действия – до ста метров. Питаются активные метки от встроенного аккумулятора.Существуют активные метки двух типов: [https://ru.wikipedia.org/wiki/Маркерный_радиомаяк радиомаяки] и [https://ru.wikipedia.org/wiki/Транспондер транспондеры]. Транспондеры включаются, получая сигнал считывателя. Они применяются в АС оплаты проезда, на КПП, въездных порталах и других подобных системах.Радиомаяки используются в системах позиционирования реального времени. Радиомаяк отправляет пакеты с уникальным идентификационным кодом по команде либо с заданной периодичностью. Пакеты принимаются как минимум тремя приемниками, расположенными по периметру контролируемой зоны. Расстояние от маячка до приемников с фиксированными координатами определяются по углу направления на маячок [https://en.wikipedia.org/wiki/Angle_of_arrival Angle of arrival] (AoA), по времени прихода сигнала [https://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_arrival Time of arrival] (ToA) или по времени распространения сигнала от маячка до приемника [https://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_flight Time-of-flight] (ToF).Инфраструктура системы строится на базе проводной сети и в двух последних случаях требует синхронизации.
#Ultra Wideband (UWB) позиционирование<br/> Технология UWB (сверхширокополосная) использует короткие импульсы с максимальной полосой пропускания при минимальной центральной частоте. У большинства производителей центральная частота составляет несколько гигагерц, а относительная ширина полосы – 25-100%. Технология используется в связи, радиолокации, измерении расстояний и позиционировании.Это обеспечивается передачей коротких импульсов, широкополосных по своей природе. Идеальный импульс (волна конечной амплитуды и бесконечно малой длительности), как показывает [https://ru.wikipedia.org/wiki/Анализ_Фурье анализ Фурье], обеспечивает бесконечную полосу пропускания. UWB сигнал не походит на модулированные синусоидальные волны, а напоминает серию импульсов. Производители предлагают разные варианты UWB технологии. Различаются формы импульсов. В некоторых случаях используются относительно мощные одиночные импульсы, в других – сотни миллионов маломощных импульсов в секунду. Применяется как когерентная (последовательная) обработка сигнала, так и не когерентная. Все это приводит к значительному различию характеристик UWB систем разных производителей.
=== Магнитные методы ===
Магнитный трекинг основан на измерении интенсивности магнитного поля в различных направлениях. Как правило, в таких системах есть [https://ru.wikipedia.org/wiki/Базовая_станция базовая станция], которая генерирует переменный или постоянный ток. Так как сила магнитного поля уменьшается с увеличением расстояния между точкой измерения и базовой станции, можно определить местоположение контроллера. Если точка измерения вращается, распределение магнитного поля изменяется по различным осям, что позволяет определить ориентацию. Наиболее известными продуктами на основе магнитного трекинга являются [https://ru.wikipedia.org/wiki/Виртуальная_реальность VR] контроллер [https://ru.wikipedia.org/wiki/Hydra_(контроллер) Razer Hydra] и система [https://www.sixense.com/platform/hardware/ STEM] от компании Sixense. Точность данного метода может быть достаточна высока в контролируемых условиях (в спецификациях Hydra говорится о 1 мм позиционной точности и 1 градусе точности ориентации), однако магнитное отслеживание подвержено помехам от токопроводящих материалов вблизи излучателя или датчика, от магнитных полей, создаваемых другими электронными устройствами и ферромагнитных материалов в пространстве отслеживания.
=== Оптические методы ===
Оптические методы представляют собой совокупность алгоритмов [https://ru.wikipedia.org/wiki/Компьютерное_зрение компьютерного зрения] и отслеживающих устройств, в роли которых выступают камеры видимого или инфракрасного диапазона, стерео-камеры и камеры глубины. Оптический трекинг основан на том же принципе, что и стереоскопического зрения человека. Когда человек смотрит на объект с помощью бинокулярного зрения, он в состоянии определить приблизительно на каком расстоянии объект находится. Не достаточно просто установить пару камер для имитации стереоскопического зрения человека. Камеры должны определить расстояние до объекта и его положения в пространстве, так что необходимо откалибровать.[https://ru.wikipedia.org/wiki/Оптическая_система Оптические системы] надежны и относительно не дорого , но это трудно калибровать. Кроме того, система требует прямой линии света без закупорки, в противном случае мы получаем неправильные данные.
В зависимости от наличия специальных оптических маркеров выделяют отдельно:
*Без маркерный трекинг как правило строится на сложных алгоритмах с использованием двух и более камер, либо стерео камер с сенсорами глубины. Используется наибольшим образом в автомобилях с автопилотам и иными системами помощи водителю.
*Трекинг с использованием маркеров предполагает заранее заданную модель объекта, которую можно отслеживать даже с одной камерой. Маркерами обычно служат источники инфракрасного излучения (как активные, так и пассивные), а также видимые маркеры наподобие ]https://ru.wikipedia.org/wiki/QR-код QR]-кодов. Такой вид трекинга возможен только в пределах прямой видимости маркера.
== Области применения ==
Задача оценки положения движущихся и статичных объектов возникает во множестве прикладных областей. Сейчас происходит подъем популярности разработки устройств и систем, отслеживающих положения объектов окружающего мира и использующих эту информацию для различных целей, рассмотрим несколько областей:
# Автомобили и другие транспортные средства, с встроенными системами помощи водителю (автопилот, круиз контроль и др.). Которые помогают водителю с парковкой, контролируют скорость и направление движения, а также предупреждают об объектах, находящихся на дороге, о типе дорожного покрытия и возможных авариях.
#Дополненная реальность, "очки" в которых в реальное изображение, получаемое с помощью видеокамер, встраивается некоторая информация полезная человеку.
#Виртуальная реальность, оценка положения технология является критически важной для достижения эффекта погружения в виртуальную реальность. В сочетании с отслеживанием ориентации становится возможным измерять и передавать в ВР все 6 степеней свободы (6-DoF) реального мира
#Робототехника.Роботы (Медицинские, научные, промышленные и др.) которые основывают свое движение на построении карты окружения и препятствий.
Совокупность методов и подходов к решению задачи оценки положения можно поделить на несколько групп:
*Акустические
*Радиочастотные
*Магнитные
*Оптические
*Инерциальные
*Гибридные
=== Акустические методы===
Акустические приборы слежения используют ультразвуковые (высокочастотные) звуковые волны для измерения положения и ориентации целевого объекта. Для определения положения объекта измеряется время пролёта ([https://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_arrival time-of-arrival]) звуковой волны от передатчика к приёмникам, либо разность фаз синусоидальной звуковой волны при приёмо-передаче. Алгоритмы трекинга положения при использовании акустических приборов основаны на [https://en.wikipedia.org/wiki/True_range_multilateration Трилатерации] и расчете [https://en.wikipedia.org/wiki/Angle_of_arrival Угла Прибытия].При использовании данных методов, разработчики сталкиваются с некоторыми проблемами: акустические трекеры, как правило имею низкую скорость обновления связанную с низкой скорости звука в воздухе, скорость звука в воздухе зависит от внешних факторов среды, таких как температура, давление и влажность
=== Радиочастотные методы ===
Методов, основанных на радиочастотах достаточно много.
#Позиционирования с использованием пассивных радиочастотных идентификаторов [https://ru.wikipedia.org/wiki/RFID#Антиколлизионный_механизм_(меток) RFID] <br /> Основное назначение систем с пассивными RFID метками – идентификация. Они применяются в системах, традиционно использовавших штрих-коды или магнитные карточки – в системах распознавания товаров и грузов, опознания людей, в системах контроля и управления доступом (СКУД) и т.п.Система включает RFID метки с уникальными кодами и считыватели и работает следующим образом. Считыватель непрерывно генерирует радиоизлучение заданной частоты. ЧИП метки, попадая в зону действия считывателя, использует это излучение в качестве источника электропитания и передает на считыватель идентификационный код. Радиус действия считывателя составляет около метра.
#Позиционирование с использованием активных [https://ru.wikipedia.org/wiki/RFID#Антиколлизионный_механизм_(меток) RFID] <br/>Активные радиочастотные метки используются при необходимости отслеживания предметов на относительно больших расстояниях (например, на территории сортировочной площадки). Рабочие частоты активных RFID – 455МГц, 2,4ГГц или 5,8ГГц, а радиус действия – до ста метров. Питаются активные метки от встроенного аккумулятора.Существуют активные метки двух типов: [https://ru.wikipedia.org/wiki/Маркерный_радиомаяк радиомаяки] и [https://ru.wikipedia.org/wiki/Транспондер транспондеры]. Транспондеры включаются, получая сигнал считывателя. Они применяются в АС оплаты проезда, на КПП, въездных порталах и других подобных системах.Радиомаяки используются в системах позиционирования реального времени. Радиомаяк отправляет пакеты с уникальным идентификационным кодом по команде либо с заданной периодичностью. Пакеты принимаются как минимум тремя приемниками, расположенными по периметру контролируемой зоны. Расстояние от маячка до приемников с фиксированными координатами определяются по углу направления на маячок [https://en.wikipedia.org/wiki/Angle_of_arrival Angle of arrival] (AoA), по времени прихода сигнала [https://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_arrival Time of arrival] (ToA) или по времени распространения сигнала от маячка до приемника [https://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_flight Time-of-flight] (ToF).Инфраструктура системы строится на базе проводной сети и в двух последних случаях требует синхронизации.
#Ultra Wideband (UWB) позиционирование<br/> Технология UWB (сверхширокополосная) использует короткие импульсы с максимальной полосой пропускания при минимальной центральной частоте. У большинства производителей центральная частота составляет несколько гигагерц, а относительная ширина полосы – 25-100%. Технология используется в связи, радиолокации, измерении расстояний и позиционировании.Это обеспечивается передачей коротких импульсов, широкополосных по своей природе. Идеальный импульс (волна конечной амплитуды и бесконечно малой длительности), как показывает [https://ru.wikipedia.org/wiki/Анализ_Фурье анализ Фурье], обеспечивает бесконечную полосу пропускания. UWB сигнал не походит на модулированные синусоидальные волны, а напоминает серию импульсов. Производители предлагают разные варианты UWB технологии. Различаются формы импульсов. В некоторых случаях используются относительно мощные одиночные импульсы, в других – сотни миллионов маломощных импульсов в секунду. Применяется как когерентная (последовательная) обработка сигнала, так и не когерентная. Все это приводит к значительному различию характеристик UWB систем разных производителей.
=== Магнитные методы ===
Магнитный трекинг основан на измерении интенсивности магнитного поля в различных направлениях. Как правило, в таких системах есть [https://ru.wikipedia.org/wiki/Базовая_станция базовая станция], которая генерирует переменный или постоянный ток. Так как сила магнитного поля уменьшается с увеличением расстояния между точкой измерения и базовой станции, можно определить местоположение контроллера. Если точка измерения вращается, распределение магнитного поля изменяется по различным осям, что позволяет определить ориентацию. Наиболее известными продуктами на основе магнитного трекинга являются [https://ru.wikipedia.org/wiki/Виртуальная_реальность VR] контроллер [https://ru.wikipedia.org/wiki/Hydra_(контроллер) Razer Hydra] и система [https://www.sixense.com/platform/hardware/ STEM] от компании Sixense. Точность данного метода может быть достаточна высока в контролируемых условиях (в спецификациях Hydra говорится о 1 мм позиционной точности и 1 градусе точности ориентации), однако магнитное отслеживание подвержено помехам от токопроводящих материалов вблизи излучателя или датчика, от магнитных полей, создаваемых другими электронными устройствами и ферромагнитных материалов в пространстве отслеживания.
=== Оптические методы ===
Оптические методы представляют собой совокупность алгоритмов [https://ru.wikipedia.org/wiki/Компьютерное_зрение компьютерного зрения] и отслеживающих устройств, в роли которых выступают камеры видимого или инфракрасного диапазона, стерео-камеры и камеры глубины. Оптический трекинг основан на том же принципе, что и стереоскопического зрения человека. Когда человек смотрит на объект с помощью бинокулярного зрения, он в состоянии определить приблизительно на каком расстоянии объект находится. Не достаточно просто установить пару камер для имитации стереоскопического зрения человека. Камеры должны определить расстояние до объекта и его положения в пространстве, так что необходимо откалибровать.[https://ru.wikipedia.org/wiki/Оптическая_система Оптические системы] надежны и относительно не дорого , но это трудно калибровать. Кроме того, система требует прямой линии света без закупорки, в противном случае мы получаем неправильные данные.
В зависимости от наличия специальных оптических маркеров выделяют отдельно:
*Без маркерный трекинг как правило строится на сложных алгоритмах с использованием двух и более камер, либо стерео камер с сенсорами глубины. Используется наибольшим образом в автомобилях с автопилотам и иными системами помощи водителю.
*Трекинг с использованием маркеров предполагает заранее заданную модель объекта, которую можно отслеживать даже с одной камерой. Маркерами обычно служат источники инфракрасного излучения (как активные, так и пассивные), а также видимые маркеры наподобие ]https://ru.wikipedia.org/wiki/QR-код QR]-кодов. Такой вид трекинга возможен только в пределах прямой видимости маркера.
